水平管蒸发器
水平管式降膜蒸发器模拟
利用所求的总传热系数以及管内外温差可以计算新的管 外热负荷。把计算热负荷与假定值进行比较，若误差满 足要求，则单元计算收敛，进入下一个单元；否则改变 管外热负荷值，重新迭代，直至误差满足要求。 图4 程序计算流程图
四、总结
降膜蒸发器的性能与管束布置、制冷剂液膜质量流 量、管程布置以及满液位置等因素有关。可以提高蒸发 器换热性能的具体措施有以下几点： (1)管了排列式采用义排，垂直管问距在允许范围内尽量 小时蒸发器换热效果好。 (2) 采用管程垂直布置，管程内流体流动方式为下进上 出这样可以提高蒸发器换热性能。
图1 蒸发器示意图
由于冷水温度沿轴向变化，制冷剂流量沿管排变化， 降膜蒸发器的性能沿管子轴向和管排均有变化；另外，在 同一排水平管中，因各管子在管束中相对位置不同，换热 性能也可能有所不同，因此，本文所建立分布参数模型考 虑了降膜蒸发器性能沿管长方向，管排垂直方向和水平方 向的变化，是一个三维模型。模型简化假设如下： (1)布液器布液均匀。 (2)气液界面处于热力学平衡态，制冷剂蒸汽处于饱 和状态。 (3)液膜传热既包括汽液界面上的对流蒸发，也包括 液膜内的核态沸腾。 (4)不考虑制冷剂蒸汽的剪力作用。
三、计算方法
具体计算流程见图 4。对任一单元体，其入口处管内流体 (冷水)及管外液膜(制冷剂)的质量流量和温度已知，所要 求解的是出口参数。计算方法为，先假定其外表面的热 负荷，然后通过质量、能量平衡方程和补充的传热关系 式，迭代求解出口参数，并计算管内外传热系数、总传 热系数以及产生的蒸汽量等参数。
水平管降膜蒸发器综合传热系数
水平管降膜蒸发器综合传热系数水平管降膜蒸发器综合传热系数模型摘要：基于在水平管降膜蒸发器传热性能研究现状的基础上，以及热法高倍数蒸发浓缩油田废水的具体任务与要求，建立水平管降膜蒸发器传热系数与污垢热阻的模型，通过有关方程建立污垢热阻与蒸发浓缩时浓度变化的关联式。
依据各部分的关联式，经过详细推导，得到水平管降膜蒸发器综合传热系数关联式。
根据物理模型和关联式，讨论浓缩倍数和流量变化对水平管降膜蒸发器综合传热系数的影响。
结果表明：在蒸发浓缩油田废水时，浓缩倍数的提高降低了水平管降膜蒸发器的综合传热系数。
油田废水处理量的增加，在一定程度上强化了水平管降膜蒸发器的传热效率。
模拟计算得到水平管降膜蒸发器的综合传热系数在936~940W/(m2K)的范围内。
关键词：水平管降膜蒸发器；传热系数；污垢；浓缩倍数；油田废水0前言蒸发是指将含有非挥发性溶质和挥发性溶剂组成的溶液利用加热作用使溶液中一部分溶剂汽化与溶质分离、溶液被浓缩的过程[1]，常用的蒸发操作的设备有升膜蒸发器、降膜蒸发器和旋转刮膜式蒸发器3 类。
具有发展前景的是水平管降膜蒸发器，因此水平管降膜蒸发器传热性能研究的文献相对多些。
吴鸿等[2]研究了三效降膜管式蒸发器，建立蒸汽侧冷凝传热参数的数学模型，分析蒸汽压力、温差等因素对传热性能的影响。
本文针对油田废水蒸发浓缩的实例，建立水平管降膜蒸发器综合传热系数关联式，并考察一些因素对综合传热系数的影响程度。
1 管式降膜蒸发器的结构及工作原理管式降膜蒸发器结构简单，由加热蒸发室、分配盘、汽液分离室、除雾器、循环管等部分构成。
管式降膜蒸发器加热蒸发室是由壳体、上管板、隔板、下管板和加热管等构成。
壳体是根据工作压力按压力容器或常压容器设计，并考虑到在真空状态下受外压时的稳定性合理设置加强结构。
壳体、加热管和管板的材质可根据介质性质或用户使用要求，选用碳钢或不锈钢材质。
加热蒸发室的中心为内置循环管，其余部分为均匀分布的加热管。
降膜蒸发的研究情况
降膜蒸发的研究情况降膜蒸发是液体在重力和界面剪切力作用下，呈膜状向下流动被加热蒸发的过程。
降膜蒸发器主要有三类：水平管式降膜蒸发器、竖直管式降膜蒸发器和板式降膜蒸发器。
水平管降膜蒸发器中，液体经过分布器在水平管束外面形成液膜，在重力作用下向下流动。
竖直管降膜蒸发器中，液体从顶部进入，在液体分布器作用下在管内形成液膜，在重力的作用下沿管内壁呈膜状向下流动。
板式降膜蒸发器是在重力作用下，液体在加热板壁面上形成薄膜向下流动。
近年来，因为能源危机和环境问题，对于耗能设备的要求越来越高，开发高效蒸发设备对工业来说有重要意义。
降膜蒸发具有物料与加热面接触时间短、热通量高、压降小、静压头低和持液量低等优点，在较低的流率、较低蒸发温度下就有比较高的传热系数，因此在化工、医药、食品、冶金、轻工及海水淡化等工业生产中得到了广泛应用。
降膜蒸发中，下降液体在壁面铺展形成液膜，既增大了气液接触面积又降低了通过液膜的热力学阻力，同时也降低了蒸汽流经液膜表面的流动阻力。
降膜流动由于广泛应用于工业传热和传质过程中，引起了研究者大量的关注。
对于降膜蒸发的研究最早开始于Nesselt，随后很多研究者进行了实验和理论研究，试图给出降膜蒸发的传热关联式、传热传质的影响因素。
但是因为降膜蒸发中蒸发和沸腾的同时存在，很难分出各自单独的影响，而且由于实验过程中的模型及参数简化等因素，这些研究能够为工业应用提供的指导意义有限，还需要深入研究。
对于降膜传热过程，很多研究者根据实验提出了不同条件下的关系式。
Chun 和Seban对垂直管外降水膜的传热性能进行了详细的研究，通过测定壁温、饱和蒸汽压确定传热系数，得到实验关联式。
但是他们没有考虑二次蒸汽的影响，尽管如此，很多研究者验证模拟结果时都是依据Chun和Seban得到的关联式。
赵起、邓鸿在接近工业应用的条件下，考虑了二次蒸汽的影响并进行实验，得到了相关实验关联式。
T.A. Adib等用中试规模降膜蒸发器，研究沸腾传热系数以及相关过程参数的变化规律,简化处理了传热系数的影响因素，结果发现纯水的变化规律与非泡核沸腾和湍流形态的数据一致，糖水溶液的传热与降膜蒸发器的整个传热系数的方程式有相同的变化趋势。
水平管降膜蒸发器蒸发传热性能实验研究
而言，水平管的传热系数三倍于闪蒸 ，两倍于竖直 管 蒸发 装置 ，与 竖直管 蒸 发器 相 比 ，水 平管 蒸 发器
传热 效率 高 ，同 时显著 降低 空 间高 度 ，使其 易组 成 多效 蒸发 器 ，可 以节省 液体 循环 所 需能 量 ，并增 加
了传 热有 效温 差 ¨ 。
多 年来 ，众 多学者 对 水平 管降 膜蒸 发器 的传热 性 能进行 了许 多 实验研 究 Ｊ ，认 为 喷淋 密 度 、热 通量 、蒸 发温 度 等 是影 响传 热 性 能 的最 主 要 因素 ， 但 由于操 作条 件 以及测 试 手段 不一 致 ，致使 一 些操 作 因 素 对 传 热 性 能 影 响 的 结 论 有 所 差 异 。杜 亮 坡 等 曾对 喷 淋 密 度 和热 通量 对 单 管 蒸 发 传 热 性 能 的影 响进 行 了分析 研究 。本 文在 此 基础 上 ，针对 喷淋 密 度 、热通 量 、蒸 发 温度 及布 管 方式对 管 束总 传 热系 数 的影 响 进行 实验 研究 。
２ ０ ． ０ ４
［ ］ 邓建松 ，彭冉冉 ，译 ．Ｍａ ｅ ａｉ ｓ ５ ｔ ｍ ｔａ 使用指南 ［ ｈ ｃ Ｍ］．北京 ： ［ ］ 天津大学化 工原理 教研 室 ．化 工原 理 （ 册） ［ １ 上 Ｍ］．天
津 ：天 津 科 学 技 术 出 版 社 ，１９ ． ９２ 科 学 出版 社 ，２０ ． ０２
郑 东 光 ，男 ， ９ １年 ｌ １８ ２月 生 ，硕 士 研 究 生 。天 津 市 ，３０ ３ 。 ０ １０
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图 １ 实 验 流 程
１ 一离心泵 ２ ～转子流量计 ３ 一液体分布器 ８ 一管道泵
水平管降膜蒸发器实现高效换热_徐红
中国化工报/2009年/1月/19日/第002版科技创新水平管降膜蒸发器实现高效换热特约记者徐红石家庄工大化工设备有限公司承担的水平管降膜蒸发器的研究项目日前通过鉴定。
该水平管降膜蒸发器的核心部分——液体分布器采用了分配管底部与布液管连接的结构形式，属国内首创，与国内普遍使用的竖管降膜蒸发器相比，极大提高了换热效率。
水平管降膜蒸发器与目前国内普遍使用的竖管降膜蒸发器不同，其被蒸发溶液是在换热管外表面成膜状分布，而在加热蒸气走管内，传热系数是竖管降膜蒸发器的两倍。
水平管降膜蒸发器除具备竖管降膜蒸发器传热系较高、适合处理热敏性物料、传热温差损失小，易于实现多效蒸发等优点外，由于料液在换热管外成膜，还具备成膜情况、结构情况较易观察等特点。
据介绍，水平管降膜蒸发器正常运行的条件之一是液体沿换热管均匀分布。
在蒸发过程中，在相同热负荷作用下，给液不足的管子可能会结垢、烧焦、甚至出现“干壁”或烧毁现象，而液膜过厚的管子因传热量不足不能充分传热，从而导致传热情况的恶化。
为解决液体均匀分布难题，该公司课题组开发出了独特的液体分布装置。
经测试，装置液体分布不均匀度低于5%，提高了液体分布的均匀性和蒸发强度。
据了解，水平管降膜蒸发器是美国Aqua-chem公司在20世纪60年代中后期研究开发的高效换热装置。
石家庄工大化工设备有限公司于2007年10月开始进行水平管降膜蒸发器研发项目立项，截至记者发稿时，已完成调研、设计、实验设备安装、试验、成果鉴定等全部工作。
目前，该公司已着手将此研究成果转化用于工业生产。
由于水平管降膜蒸发器具有较高的传热系数、适合处理热敏性物料、传热温差损失小、操作中的问题易于观察和控制等特点，在海水淡化、造纸工业、化学工业、制药工业等多方面具有广阔的应用前景。
在水资源短缺地区及军工领域可用其制淡水，同时，其优越的传热性能将在节能方面发挥重要作用。
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水平管外降膜蒸发传热性能的实验研究
实验 中取单 管测 试 ， 以水 为 介质 ， 实验 流程 如
图 ２所示 ， 由加热 槽将 自来 水 加热 到所 需 温度 （ 接近 于介 质 的饱 和沸 点 ） ， 后 由离 心泵 经 转 子 流
量计 送 至喷淋 装 置 ， 向水 平 管均 匀 喷淋 ， 水 平管 在 表面 被加 热蒸 发 ， 生 的二 次蒸 汽 经冷 凝 器冷 凝 ， 产 冷凝 液 由计 量器 采 集 并 计 量 ， 却 水 由水 槽 经管 冷 道泵 进入 冷凝 器 ， 水槽 中水 的温 度 由一 次 水 调节 。 蒸汽 由锅 炉进 入 水 平 管蒸 发 器 的 管 箱 ， 汽 在 管 蒸 内冷 凝 ， 冷凝 液 由冷 凝液 计 量器 采 集并 计 量 。
ｌ— — 加 热 槽 ； ０
５ ｍ
真空 泵 ； ６ —— 管道泵 ； ９ —— 水平管燕 发器 ；
８ —— 水槽 ；
１ —— 离 心 泵 ｌ
ｌ
４
一
１ ２ 测试 方法 ．
Ｉ
实验 中 介 质 的 喷 淋 密 度 ｆ 范 围 为 ０ ２ ． ７— ０４ ｋ／ ｍ ・ ） 管 内蒸 汽 压力 ｐ ．９ｇ （ ｓ ； ｃ为 Ｏ １ ． ８—０３ ．Ｏ
的不 锈钢 管 ， 外壁 温度 由 ３支 凯 装镍 铬一 硅热 管 镍 电偶 测 量 ， 电偶 经铂 电阻 校正 。 热
热 电偶安装位置
图 ２ 实验 流程 图
１ — 转 子流 量 计 ； ２ — 锅 炉 ； — — ３ — 冷凝器 ； —
４ ——缓 冲罐 ； ７ ——计量器 ；
的饱 和温 度之差 ） ：
Ａ ｔ ｔ 一 ｔ 。
式 中 ｔ ——水平管外壁平均温度 ， 与管 中心 取
水平管降膜式蒸发器管间流动模式的研究
蒸 发器 由布 液 器 、 蒸发 管 、 和排 气 通道 组 成 。流 泵
收稿 日期 ：０ ６０ —０ ２ ０ —７１
通 讯 作 者 ： 友 ， ｍａ ：ｙ ｊ ．ｄ ．ａ 费继 Ｅ ｉｆ ＠ｄｔ ｅｕ ｃ ｌ ｕ
维普资讯
费继友 ， 李 连 生
（ 安交 通大 学 ） 西
（ 大连交 通 大学 ）
摘 要 对 应 用 于 空 气调 节 和 制 冷 方 面 的水 平 管 降 膜 式 蒸 发 器 原 理 进 行 简 述 ， 分 析 设 计 水 平 管 降 膜 式 在 蒸 发 器 时 ， 要 考 虑 制 冷 剂 在 水 平 光 管 上 流 动 模 式 。给 出影 响 制 冷 剂 在 水 平 光 管 上 流动 模 式 的关 键 参 数 。 需 关 键 词 降 膜 蒸 式 发 器 流动 模 式 膜 雷诺 系数
过 电子 膨胀 阀 的含 油 制 冷剂 通 过 进 液 管道 流 到 布 液器内， 经布 液器 均 匀 布 液 到蒸 发管 上 ， 蒸 发 管 在
上 形成 一层 薄膜 和 流经管 内 的冷 媒水 进行 热交换 ，
用途 主要 集 中于 降 膜 蒸 发 在 海 洋 热 能 转 换 系 统 （ Ｔ Ｃ 和溴化 锂机 组 的应 用上 ， 且 都 使 用水 或 Ｏ Ｅ ） 并 者氨水 作为工 质 。在空气 调节 和制冷 方 面 ， 降膜蒸 发技 术相 比满 液式 蒸发器 具有 高 的传 热 系数 、 较低 的制冷 费用 等优 点 。而 应 用 于空 气 调 节 和制 冷 方 面 的水平 管 降膜式 蒸 发 器 只有 少 数 学 者 涉及 到这
制 冷剂 在一 定 的蒸发 温度下 蒸 发 ， 蒸发 的制冷 剂 未 和油沉 积在 蒸发 器 的底部 ， 由泵 输送 到压 缩机 的 回 油 口 ， 发 的制冷 剂 由蒸 汽通道 经 出气管 道 回到压 蒸
E-07001-水平管降膜蒸发器管外液体流动研究及膜厚的模拟计算
0.000585 0.000731 0.001187 2.7 0.001237 0.001286 0.001902 0.001978 0.001138 0.001187 0.001237 0.001286 3.14 0.001978 0.002869 0.002968 0.003067 0.000845 0.000910 0.001138 0.001187 3.6 0.001237 0.001978 0.002869 0.002968 注：* 临界状态点；\ 不成膜
2.1 波长λT的验证计算以及布液器开孔间距的确定
布液器上开孔间距分为沿蒸发管轴向的纵向间距以及沿垂直于蒸发管轴向的横向 间距。纵向间距是影响制冷剂液体在蒸发管轴向分布均匀度的关键因素。横向间距是根 据蒸发管束的布置形式确定的。 布液器开孔纵向间距受波长制约， 波长为从单孔流下的液体在蒸发管上延伸的最大
4. 当 1.414GaL0.233≤ReГ≤1.448GaL0.236，处于柱状流到片状流过渡的混合流体态。 本文控制制冷剂流量、蒸发管外径等相关参数，使流动处于严格的柱状流流态。为 了找到使流动处于柱状流的速度，在已知开孔孔径以及管外径的前提下，可得单孔流量 及单孔流速：
qm 孔 =
π d out μ ReΓ
速度分布图
图 6 速度u＝0.12m/s模拟结果图(d孔＝3.14mm)
图 7 速度u＝0.29m/s模拟结果图(d孔＝3.14mm)
汽液两相图
速度分布图
汽液两相图
速度分布图
图 8 速度u＝0.07m/s模拟结果图(d孔＝3.14mm)
\ 0.010840 选定非耦合隐式求解器， 动量方程为一阶迎风差分格式， 为动态模拟液膜形成过程，
选用非稳态求解方式，同时为了更好的跟踪气液相交界面，选用 VOF 两相模拟方法。 建立相应的边界条件，设置上端面两端为速度入口边界，入流速度取不同值，温度 保持为 5℃，下端边为 Outflow 边界，两侧边为对称边界。
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多效蒸发海水淡化经历了由浸没管蒸发，竖管降膜蒸发，到横管降膜蒸发的发展过程。
因为盐水一次流过系统，因此降低了预处理费用，但是竖管降膜蒸发需要效间海水泵将盐水由上一效输送到下一效，这又使得安装成本增加，目前最主流的多效蒸发海水淡化技术是低温多效横管降膜蒸发。
由于竖直管中，液膜可能会在降膜时破碎，导致换热管表面部分湿润，而湿润处的少量水则会很快蒸干，盐分留在换热管表面上形成干斑，同时，干斑导致热应力的形成，再反过来促使干斑的面积增大。
最终'由于结垢和腐蚀等因素大大缩短了换热管的寿命。
因此海水在布液时既不能小于最小喷淋密度，也不能过大影响了传热效果，且在防垢和清垢方面有较高的要求。
总的来说，横管降膜蒸发器的传热系数要比竖管降膜蒸发器高，但是它不适宜处理高浓度的流体，比如果汁，牛奶，糖汁等等，而且一般大型的多效蒸发设备为水平安装，竖管降膜蒸发器水平安装时能更多地利用垂直空间，横管降膜蒸发器更适合塔式安装
水平管降膜蒸发器实现高效换热
更新日期：2011-12-19
水平管降膜蒸发器技术最早出现在19 世纪，直到20 世纪90 年代，才开始用在制冷系统上。
降膜式蒸发器是将制冷剂喷淋在蒸发管上，利用制冷剂管外蒸发达到与管内工质换热的目的，也就是冷媒介质在蒸发管内活动，与蒸发管外流过的制冷剂液体进行换热，使其蒸发，实现热量的传递。
目前，水平管降膜蒸发器广泛应用于食品、化工、海水淡化等行业且在这些领域其应用技术已比较成熟，但是在制冷行业的应用还处于初期阶段。
水平管降膜蒸发器技术具有自身的特点，这主要包括：拥有较高的换热系数，这可以减小蒸发器的体积，节约空间，降低本钱；同时，管外制冷剂流体的压力降很小，可以忽略不计，从而可以减小温差损失；此外，可以大大减少制冷剂的充注量，通过对大量数据的统计，在相同的制冷量下，采用降膜蒸发器的充注量要比满液式蒸发器少大约25%。
水平管降膜蒸发器的核心部分——液体分布器采用了分配管底部与布液管连接的结构形式，属国内首创，与国内普遍使用的竖管降膜蒸发器相比，极大提高了换热效率。
水平管降膜蒸发器与目前国内普遍使用的竖管降膜蒸发器不同，其被蒸发溶液是在换热管外表面成膜状分布，而在加热蒸气走管内，传热系数是竖管降膜蒸发器的两倍。
水平管降膜蒸发器除具备竖管降膜蒸发器传热系较高、适合处理热敏性物料、传热温差损失小，易于实现多效蒸发等优点外，由于料液在换热管外成膜，还具备成膜情况、结构情况较易观察等特点。
据介绍，水平管降膜蒸发器正常运行的条件之一是液体沿换热管均匀分布。
在蒸发过程中，在相同热负荷作用下，给液不足的管子可能会结垢、烧焦、甚至出现“干壁”或烧毁现象，而液膜过厚的管子因传热量不足不能充分传热，从而导致传热情况的恶化。
为解决液体均匀分布难题，该公司课题组开发出了独特的液体分布装置。
经测试，装置液体分布不均匀度低于5％，提高了液体分布的均匀性和蒸发强度。
水平管降膜蒸发器作为一种高效节能换热设备，影响其换热效果的因素很多，众多研究者对此进行了大量的研究工作，但由于气液界面存在的波动引起水平管降膜蒸发传热的复杂性，使研究的结果有所不同，而且大部分的研究都集中在海水淡化领域.水平管降膜蒸发器具有优良的性能，在制冷系统中具有很好的发展前景。
可以看来水平管降膜蒸发器无论在流动、换热机理还是在工程技术开发上都需要进一步的研究。